910億，美洲肺魚擁有最大基因組

在南美洲發現的一種肺魚是迄今測序的擁有最大基因組的動物。8月14日，一項發表于《自然》的研究顯示，美洲肺魚的DNA包含了驚人的910億個化學堿基，是人類基因組的30倍。

然而，這910億個堿基只包含與人類相同數量的基因——大約2萬個，其余都是非編碼的，甚至可能是“垃圾”DNA。

此外，通過將美洲肺魚基因組與其他肺魚的基因組進行比較，研究人員確定，美洲肺魚每1000萬年向其DNA中添加相當于人類基因組的基因組。

美洲肺魚。圖片來源：KATHERINE SEGHERS/LOUISIANA STATE UNIVERSITY

沒有參與這項工作的烏拉圭共和國大學進化遺傳學家Graciela Garcia說：“這是迄今為止在動物中報道的最大基因組。”他研究過鳉魚的基因組，它們也有很多非編碼DNA。

肺魚有時被稱為“活化石”，是一種呼吸空氣的總鰭魚類，與所有脊椎動物最古老的共同祖先最為相似。自2018年以來，德國維爾茨堡大學進化生物學家Axel Meyer、Manfred Schartl和同事一直致力于破譯來自三大洲的肺魚基因組，以更好地了解脊椎動物的進化。

他們首先對澳大利亞肺魚的鰭骨進行了測序，這些鰭骨與人類四肢和其他陸地動物的鰭骨相似。然后，他們轉向非洲肺魚，它的肢骨大大減少了。現在，他們研究了美洲肺魚，它的鰭也變小了，基因組是澳大利亞和非洲同類的兩倍。

這個龐大的基因組中包含了生物體的基因，用4種不同的化學“字母”，即核苷酸或堿基編寫的蛋白質指令，以及有用的RNA編碼。但美洲肺魚絕大多數基因組是由其他東西組成的——被稱為轉座因子的重復片段，它可以自我復制，并將這些副本插入DNA中。

研究人員發現，美洲肺魚大約90%的基因組由這些“自私”序列組成，而人類基因組的這一比例約為40%。

肺魚基因組是如何被重復DNA弄得如此混亂的？研究人員將其與其他脊椎動物基因組進行比較后發現，它的生長不受控制，因為南美洲和非洲的肺魚失去了關鍵基因，而正是這些基因的RNA和蛋白質產物抑制轉座因子。

“這對動物來說一定是一個巨大的代價。”Meyer說。一條肺魚的19條染色體中，除了一條外，其余的都和整個人類基因組一樣大。所以復制這些DNA需要很多能量，包裹它的細胞核和細胞也必須更大。

Garcia表示，更大的基因組有時可以幫助生物體適應不斷變化的環境。當轉座因子落在基因中或附近時，它們可以改變該基因的活性，這在適當的條件下可能是有益的。這些可變的DNA基因甚至可以完全成為新基因的“飼料”。

然而，如果無法調節確保生物體生存能力的基因，它也可能成為達摩克利斯之劍。因此，目前尚不清楚為什么美洲肺魚沒有進化出控制這些所謂“跳躍基因”擴散的新方法。Meyer說：“這是被進化遺忘的魚類。”

美洲肺魚的基因組并不是所有生物中最大的。這個頭銜最近被授予了太平洋新喀里多尼亞島上一種擁有1600億個堿基的蕨。奧利地因斯布魯克大學進化生物學家Claus Peter Stelzer則希望對石花肺魚基因組進行測序，和美洲肺魚一決勝負。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07830-1